本發明涉及一種空化射流清潔船體機器人的控制系統，屬于嵌入式系統技術領域和船舶防護技術領域。

背景技術：

海運是國際貿易中的一種重要交通方式，具有貨物運載量大，運輸費用低等優點，但海洋中水生物種類繁多，船舶常年在水中航行，大量海生物會附著于船體之上。對船舶來講，海洋生物的附著會產生很多不利的影響：1)它增大了船體表面的粗糙程度，增加了船舶在水中航行的阻力。經過實驗測定，當航速為2-9節時，船體附著生物會使船舶的航行阻力增加3倍；2)海洋生物在螺旋槳上附著使螺旋槳的有效輸出功率減小為原來的80％；3)船體附著生物隨著時間的延長，其質量會不斷增大，無形之中使得船舶運輸的無效負荷增加；4)船體附著生物和鐵細菌、硫酸鹽還原細菌在海水環境中通過聯合作用呈現出弱酸性，會對船體表面的防護層產生很強的電化學腐蝕作用，最終可能導致船體鋼板的強烈腐蝕。

為了延長船舶的使用壽命，保證船舶的安全航行，船舶必須定期的進行船塢檢查。但是，船塢數量不足，清理修復時間長等問題，無形之中增加了船舶的成本損耗和非運營時間。所以開展船體水下清潔作業，提高水下清潔的自動化水平具有非常重要的實際意義和商業價值。為克服上述問題，現有技術中公開了一種用于清潔船體的機器人，其控制系統采用傳統的集中式控制，核心CPU接收其他傳感器信號和控制指令，并解算控制指令傳遞給電機驅動器，以控制電機轉速實現機器人運動控制。這種方式可靠性差、故障率高、系統擴展性和維修性差。

技術實現要素：

為克服現有技術中存在的缺點，本發明的發明目的是提供一種控制精度高、模塊化程度高、升級維護便利的機器人控制系統。

為實現所述發明目的，本發明提供一種機器人的控制系統，其包括通過總線連接的控制微機、通信系統和動力控制器，其中，通信系統其用于與上位機進行數據交互，其特征在于，動力控制器用于接收控制微機提供的機器人左右鏈輪的轉速指令，并完成指令解算和控制算法解算，而后產生指令電流信號給伺服電機驅動器，以驅動水下機器人左右伺服電機達到設定的轉速和扭矩。

優選的，機器人的控制系統還包括傳感設備管理器，其中，傳感設備管理器用于對傳感器采所感應的信號進行采集與處理，并發送至控制微機，控制微機根據所采集的傳感器所感應的信息與導航指令信息進行解析運算，得出機器人左右鏈輪的轉速指令。

優選的，傳感器包括深度傳感器、速度傳感器、姿態傳感器、障礙感應器和攝像設備。

機器人的控制系統還包括能源管理器，所述能源管理器用控制機器人所有用電部件的供斷電控制。

機器人的控制系統還包括應急管理器，其中，實時接收控制微機、動力控制器、傳感設備管理器、和能源管理器所傳送的信息，依據所接收的信息判斷機器人當前工作環境的風險狀態，當判斷機器處于緊急情況時，發出應急信號，觸發收控制微機、動力控制器、傳感設備管理器、和能源管理器的應急機制程序以執行機器人的應急動作。

與現有技術相比，本發明提供的空化射流清潔船體機器人控制系統具有如下 優點：

(1)機器人控制系統采用分布式嵌入系統架構，提高了系統的模塊化與標準化程度。

(2)機器人控制系統的模塊化布局，提升了系統的可維護性與升級便利性，增強了系統的可靠性。

附圖說明

圖1是本發明提供的空化射流清潔船體機器人的整機示意圖；

圖2是本發明提供的空化射流清潔船體機器人越障履帶俯仰機構圖

圖3是本發明提供的空化射流清潔船體機器人系統組成框圖；

圖4是本發明提供的空化射流清潔船體機器人遠程操控監視終端的示意圖；

圖5是本發明提供的空化射流清潔船體機器人的控制系統組成框圖；

圖6是本發明提供的通信系統的組成框圖；

圖7是本發明提供的傳感器管理器的組成框圖；

圖8是本發明提供的應急管理器的組成框圖；

圖9是本發明提供的電源管理器的組成框圖。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

在本發明的描述中，需要說明的是，術語“中心”、“上”、“下”、“豎直”、“水平”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關 系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。術語“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方向是以機器人設置清潔槍的方位為參考的，設置清潔槍的方向為前，與其相反的方向為后，在左為左側，在右為右側。

在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，還可以是兩個元件內部的連通，對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

圖1是本發明提供的空化射流清潔船體水下機器人的整機示意圖，如圖1所示，本發明提供的空化射流清潔船體機器人包括主體框架1，在主體框架左側設置有左側主履帶2A和左側越障履帶3A，在主體框架右側設置有右側主履帶2B和右側越障履帶3B；左側主履帶2A和左側越障履帶3A通過左側履帶間傳動機構4A連接，右側主履帶2B和右側越障履帶3B通過右側履帶間傳動機構4B連接。機器人還包括左側越障俯仰機構、右側越障俯仰機構、左側伺服電機6A和右側伺服電機6B；左側伺服電機6A通過左側錐形齒輪機構7A驅動左側主履帶2A，右側伺服電機6B通過右側錐形齒輪機構7B驅動右側主履帶2B。主體框架1內-后部設置有電氣密封箱8，其內搭載機器人控制系統電路板及其他輔助電路、接插件等，完成機器人運動控制、清潔設備控制、傳感信號接收以及與遠程操控監視終端的數據傳輸；電氣密封箱8通過數據電纜與攝像設備、傳感器設備、動力設備等連接。主體框架1內-前部搭載3個空化射流清潔盤(簡稱：空化盤) 9A、9B、9C，呈“三角型”布置并設置在機器人本體主體框架的下部；在主體框架1的前端兩側位置設置有2個空化射流清潔槍(簡稱：空化槍)10A、10B，實現機器人履帶前向區域以及履帶與空化盤間隙前向區域的清潔。本發明提供的空化射流清潔船體機器人至少還包括兩個攝像機，分別設置有主體框架的前面和后面。

圖2是本發明提供的空化射流清潔船體機器人越障履帶俯仰機構圖，如圖2所示，機器人越障履帶俯仰機構至少包括越障履帶連桿39，起到軸間距定位和力學強化作用越障履帶連桿39具有平行于越障履帶內導向板的縱板和兩根垂直設置在縱板上的兩個橫柱，兩橫柱通過連接板固定連接。縱板前端和后端分別設置有裝配孔，越障履帶的主動軸22設置在前端裝配孔內，越障履帶的從動軸設置在后端裝配孔內。越障履帶俯仰機構至少還包括一個套筒，其與縱板上后端的通孔同軸連接，越障履帶的從動軸依次從套筒和縱板上后端的裝配孔穿過。機器人越障履帶俯仰機構至少還包括垂直設置于套筒上的彈簧安裝桿46和蝸桿連接件45。機器人越障履帶俯仰機構至少還包括減速渦輪機構44，蝸桿連接件45與減速渦輪機構44的輸出蝸桿組成蝸桿機構。機器人越障履帶俯仰機構至少還包括驅動電機，其設置在連接件38內，電機輸出軸通過聯軸器與減速渦輪機構44的輸入軸連接，減速渦輪機構44的輸出蝸桿與蝸桿連接件45連接。由此，電機旋轉驅動減速渦輪機構44旋轉，減速渦輪機構44輸出蝸桿轉動驅動蝸桿連接件45上下運動，從而帶動越障履帶軸的上下運動，即越障履帶的俯仰；彈簧安裝桿46裝配彈簧后起到機構預緊和定位作用。機器人越障俯仰機構的使用使得越障履帶具有一定角度的擺動能力，能夠使得機器人越障時，越障履帶在主動控制下趨向于被吸附壁面，增強了機器人的越障能力及越障過程中的穩定性與可靠性。圖3是本發明提供的空化射流清潔船體機器人系統組成框圖，如圖3所示，本發明提供的空化射流清潔船體機器人系統包括空化射流清潔機器人本體11（簡稱：機器人本體）、遠程操控監視終端12、空化供水設備13、連接機器人本體與遠程操控監視終端的供電通信纜14以及連接機器人本體與其空化供水設備的供水纜15，其中，機器人本體11為系統核心單元，搭載空化清潔設備執行清潔任務；遠程操控監視終端12執行對機器人本體的任務規劃、運動控制、狀態監視等；空化供水設備13則為機器人本體搭載的空化清潔設備提供所需高壓空化水流；遠程操控監視終端通過供電通信纜14與機器人本體進行通信，并為機器人本體提供電能；通過供水纜15給機器人本體供水。

圖4是本發明提供的空化射流清潔船體機器人遠程操控監視終端示意圖，如圖4所示，本發明提供的空化射流清潔船體機器人的控制系統封裝于電氣密封箱8內，并通過供電信號電纜14與機器人遠程操控監視終端連接，本發明提供的機器人遠程操控監視終端包括操控計算機16、顯示設備17、運動操作裝置18及通信模塊(串口)19，其中，機器人遠程操控監視終端通過連接通信模塊19與機器人本體11的通信電纜14實現數據交互；操控計算機16運行上位機軟件實現對機器人本體11的運動控制和狀態信息顯示。

圖5是本發明提供的空化射流清潔船體機器人控制系統的示意圖，如圖5所示，本發明提供的機器人的控制系統包括通過總線連接的控制微機20、通信系統21和動力控制器25，其中，通信系統21其用于與上位機進行數據交互，動力控制器25用于接收控制微機20提供的機器人左右鏈輪的轉速指令，并完成指令解算和控制算法解算，而后產生指令電流信號給動力驅動器，以驅動機器人左右伺服電機達到設定的轉速和扭矩。

機器人的控制系統還包括傳感設備管理器23，其中，傳感設備管理器23用于對傳感器采所感應的信號進行采集與處理，并發送至控制微機，控制微機根據所采集的傳感器所感應的信息與導航指令信息進行解析運算，得出機器人左右鏈輪的轉速指令。傳感器包括深度傳感器29、速度傳感器30、姿態傳感器28、障礙感應器32和攝像設備32，其中攝像設備至少包括兩個，分別設置在機器的前端和后端。

體機器人的控制系統還包括能源管理器22，所述能源管理器22與供電線纜34相連用控制機器人所有用電部件的供斷電控制。

機器人的控制系統還包括應急管理器24，其中，實時接收控制微機20、動力控制器25、傳感設備管理器23、和能源管理器22所傳送的信息，依據所接收的信息判斷機器人當前工作環境的風險狀態，當判斷機器處于緊急情況時，發出應急信號，觸發收控制微機20、動力控制器25、傳感設備管理器23和能源管理器22的應急機制程序以執行機器人的應急動作，所述動控制器控制伺服電機27的工作狀態。

本發明中，能源管理器22、動力控制器25、控制微機20、應急管理器24傳感設備管理器23和通信系統21通過總線33進行通信，所述總線優選CAN總線。本發明中，應急管理器24還與能源管理器22、動力控制器25、控制微機20、傳感設備管理器23和通信系統21直接線路相連，以防止當總線發生故障時，應急管理器24通過線路從能源管理器22、動力控制器25、控制微機20、傳感設備管理器23和通信系統21獲取信號并控制它們的工作狀態。

圖6是本發明提供的通信系統的組成框圖，如圖6所示，本發明提供的通信系統包括處理器、總線接口和串行通信接口，其中，總線接口優選CAN總線接 口，發送數據時，總線接口從CAN總線上獲取待傳送的數據，并傳送給處理器，所述處理器將待傳送的數據進行打包得到待上傳的數據幀而后傳送給串行通信接口，通過信接口將要發送的數據進行編碼、調制而后通過線纜發送給上位機。接收數據時，串行通信接口將上位機傳送的信息進行解調、解碼得到下傳的數據幀而后提供給處理器，所述處理器對所接收的數據幀傳送總線接口，總線接口將接收的數據幀傳送到總線上。所述處理器還用于對串行通信接口和CAN總線接口進行控制。

圖7是本發明提供的應急管理器的組成框圖，如圖7所示。其中，傳感設備管理器23用于主要完成深度傳感器29、速度傳感器30、姿態傳感器28、障礙感應器31和攝像設備32的信號采集、調制與濾波處理，并通過總線33發送至控制微機20、通信系統21、動力控制器25及應急管理器24，然后通信系統21向上位機實時傳輸機器人姿態與前行狀態，控制微機20根據傳感器反饋狀態信息與導航指令信息進行解析運算，得出機器人驅動機構的執行指令，以完成機器人的爬行控制。傳感設備管理器23包括處理計算機、信號采集電路和CAN總線通信接口，其中，深度傳感器29、速度傳感器30、姿態傳感器28、障礙感應器31和攝像設備32通過信號采集電路連接于信號處理計算機，信號處理計算機用于對傳感器所提供的信號進行濾波，并對信采號采集電路、各個傳感器及總線通信接口進行故障診斷及通信控制。

圖8是本發明提供的應急管理器的組成框圖，如圖8所示，本發明提供的應急管理器包括MCU控制電路和CAN總線通信接口，MCU控制電路通過CAN總線通信接口連接于CAN總線，還直接通過線路與傳感器管理器、動力控制器、電源管理器、控制微機相連，如此結構，可以從多個通道獲取信號。應急管理器 通過傳感器管理器對深度傳感器、姿態傳感器、速度傳感器、障礙感應器進行數據采集。依據所采集的傳感數據判斷機器人當前工作環境的風險狀態，在滿足一定條件下，如超深、超速、航向嚴重偏離、無法越過的障礙或航跡中斷等緊急情況，發出應急信號，觸發其他控制管理模塊的應急機制程序以執行水下機器人的應急動作或中斷前行、提示遙控操作系統轉為遙控爬行模式。

圖9是本發明提供的電源管理器的組成框圖，如圖9所示，電源管理器主要由供電控制計算單元DSP、CAN總線收發單元、繼電驅動、繼電器等組成，主要負責機器人通信控制系統中各功能模塊的程序供斷電及信息的傳輸與分配。

以上結合附圖，詳細說明了本發明的工作原理。但是本領域的普通技術人員應當明白，說明書僅是用于解釋權利要求書。但本發明的保護范圍并不局限于說明書。任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明批露的技術范圍內，可輕易想到的變化或者替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。